Некоторые значения прочности на растяжение, σ₀ в кгс/мм² (1 кгс/мм²= 10 Мн/м²)

        ———————————————————————————————————————————————-

        | Материалы                                                                             

        |———————————————————————————————————————————————|

        | Графит (нитевидный кристалл)                                                   | 2400             | 0,024          |

        | Сапфир (нитевидный кристалл)                                                  | 1500             | 0,028          |

        | Железо (нитевидный кристалл)                                                  | 1300             | 0,044          |

        | Тянутая проволока из высокоуглеродистой стали                       | 420               | 0,02            |

        | Тянутая проволока из вольфрама                                            

        | Стекловолокно                                                                           | 360               | 0,035          |

        | Мягкая сталь                                                                             | 60                | 0,003          |

        | Нейлон                                                                                      | 50                |                   |

        ———————————————————————————————————————————————-

         Меры повышения прочности. При создании высокопрочных материалов стремятся в первую очередь повысить сопротивление пластической деформации. В кристаллических телах это достигается либо за счёт снижения плотности дефектов (П. нитевидных кристаллов, лишённых подвижных дислокаций, достигает теоретической), либо за счёт предельно большой плотности дислокаций в мелкодисперсном материале. Второе требование — большое сопротивление разрушению — сводится к выбору материала с высокой теоретической П. σ

         Лит.: Разрушение, пер. с англ., под ред. А. Ю. Ишлинского, т. 1, М., 1973; Работнов Ю. Н., Сопротивление материалов, М., 1962; Гуль В. Е., Структура и прочность полимеров, 2 изд., М., 1971; Механические свойства новых материалов, пер. с англ., под ред. Г. И. Баренблатта, М., 1966; Инденбом В. Л., Орлов А. Н., Проблема разрушения в физике прочности, «Проблемы прочности», 1970, № 12, с. 3; Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974.

         А. Н. Орлов.

        Рис. 1. Зависимость силы взаимодействия двух атомов от расстояния между ними.

        Рис. 2. Трещина Гриффита. Стрелки указывают направление растяжения; заштрихована область, в которой сняты напряжения.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

dic.academic.ru

Прочность — это… Что такое Прочность?

Про́чность (в физике и материаловедении) — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих под воздействием внешних сил.

Свойство конструкции выполнять назначение, не разрушаясь в течение заданного времени.

Классификация

Прочность подразделяют на статическую, под действием постоянных нагрузок, динамическую и усталостную (выносливость), имеющую место при действии циклических переменных нагрузок.

Для конструкций различают общую прочность — способность всей конструкции выдерживать нагрузки без разрушения, и местную — та же способность отдельных узлов, деталей, соединений.

Количественное рассмотрение

В настоящее время при расчёте на прочность используют как расчёт по допускаемым напряжениям, так и расчёт по допускаемому числу циклов нагружения. Основные неравенства расчёта по допускаемым напряжениям:

где

• и  — наибольшие расчётные нормальное и касательное напряжения, соответственно;
• и  — допускаемые нормальное и касательное напряжения, безопасные для прочности детали.

Прикладное применение

Обеспечение прочности машин и аппаратов осуществляется следующим образом. На стадии их проектирования производится расчётная или экспериментальная оценка возможности развития в несущих элементах проектируемых конструкций процессов разрушений различных типов: усталостного, хрупкого, квазистатического, разрушения вследствие ползучести материала, коррозии, износа в процессе эксплуатации и т. п. При этом должны быть рассмотрены все возможные в условиях эксплуатации конструкции известные на данный момент механизмы разрушения материала, из которого выполнены её несущие элементы. Для вновь создаваемого класса машин или аппаратов указанные механизмы разрушения выявляются на стадии научно-исследовательского цикла проектирования. С каждым из таких механизмов разрушения связывается определённый критерий прочности — та или иная характеристика физического состояния материала элементов машин и аппаратов, определяемая расчётным или экспериментальным путём. Для каждого из критериев прочности материала конструкции экспериментально устанавливаются его предельные значения. По предельным значениям далее определяются допускаемые значения этих критериев. Последние определяются, как правило, путём деления предельных значений критерия прочности на соответствующий коэффициент запаса прочности. Значения коэффициентов запаса прочности назначаются на основе опыта эксплуатации с учётом степени ответственности проектируемой конструкции, расчётного срока её эксплуатации и возможных последствий её разрушения.

Значения коэффициентов запаса прочности для различных механизмов разрушения различны. При расчёте по допускаемым напряжениям они изменяются, как правило, в диапазоне значений от 1,05 (при обеспечении прочности элементов летательных аппаратов, имеющих краткий жизненный цикл и не предназначенных для транспортировки людей) до 6 (при обеспечении прочности тросов, используемых в конструкциях пассажирских лифтов). При расчёте по допускаемому числу циклов нагружения могут использоваться существенно большие значения этих коэффициентов. Расчёт наиболее ответственных и энергонасыщенных конструкций машин и аппаратов регламентируется отраслевыми нормами и стандартами. По мере накопления опыта эксплуатации, развития методов исследования физического состояния конструкций и совершенствования методов обеспечения прочности эти нормы и стандарты периодически пересматриваются.

Разрушения

Хрупкое и вязкое разрушение имеют разные виды разрушенной поверхности. Характер дефектов дает понятие, какого рода разрушение имеет место. При хрупком разрушении поверхность надломлена. При вязком разрушении поверхность натянута (вяжет разрушение).

Вязкость разрушения — это относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины при переходе её от стабильной к нестабильной стадии роста. ^[1]

Вязкость разрушения тесно связана с показателями прочности материала. Увеличение прочности сопровождается снижением пластичности и вязкости разрушения. Это объясняется тем, что у высокопрочных материалов мала энергия, поглощаемая при разрушении уровень которой определяется величиной пластической деформации у вершины трещины. Для высокопрочных материалов эффект увеличения прочности существенно перекрывается снижением пластичности, в результате чего вязкость разрушения уменьшается. Материалы средней и низкой прочности при комнатной температуре обычно имеют более высокие значения, чем высокопрочные. С понижением температуры прочность растет и при определённых условиях поведение материала средней и низкой прочности становится таким же, как у высокопрочного материала при комнатной температуре. При низких температурах испытание вязкости разрушения можно проводить на образцах меньших размеров.

Примечания

См. также

Ссылки

biograf.academic.ru

Лекции и примеры решения задач механики

Прочностью называют способность конструкций и составляющих их элементов сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок.

Под разрушением также понимаются необратимые пластические деформации.

Прочность — базовое понятие в сопротивлении материалов и технической механике.

Прочность материалов характеризуется такими параметрами как предел текучести (для пластичных) или предел прочности (для хрупких материалов).

Для элементов конструкций прочность обуславливается величиной допускаемых напряжений.

Критерием оценки прочности элементов является условие, при котором напряжения, возникающие под действием внешних нагрузок не должны превышать допустимых значений.

Например, при растяжении:
Если нормальные напряжения σ не превышают допустимых [σ] — стержень прочный.

Когда напряжения в сечении больше допустимых – стержень непрочен.

Конструкция в целом считается прочной только тогда, когда прочны все составляющие ее элементы. Отсюда следует, что если хотя бы один элемент конструкции не является прочным, то вся конструкция тоже считается непрочной.

Прочность элементов в свою очередь зависит от материала, величины прикладываемой нагрузки и поперечных размеров, а в некоторых случаях формы и расположения сечения.

Поэтому недопустимо судить о прочности конструкции при отсутствии схемы ее нагружения.

Если нагрузки неизвестны, можно, лишь сравнивать прочность различных материалов либо элементов.

Например, при абсолютно одинаковых размерах стальной брус прочнее деревянного.

Виды расчетов на прочность

В механике основными видами расчетов на прочность являются:

Прочностные расчеты выполняются в несколько этапов:

1. При необходимости определяются опорные реакции,
2. Рассчитываются внутренние силовые факторы и строятся их эпюры,
3. Определяются наиболее нагруженные участки либо сечения бруса,
4. В зависимости от условия задачи выполняется необходимый расчет.

Примеры расчетов на прочность >>
Расчет напряжений >>

isopromat.ru

1.Что такое прочность конструкции (элемента конструкции)?

Прочность–способность материала противостоять разрушению

2. В чем заключается расчет на прочность?

Определение максимальных нагрузок до разрушения.

3. Что такое жесткость конструкции (элемента конструкции)? Жесткость – способность противостоять недопустимым деформациям и перемещениям в течение длит времени

4. В чем заключается расчет на жесткость?

В определении максимальной допускаемой деформации

5. Что означает понятие «устойчивость» в сопротивлении материалов?

Устойчивость – способность сохранять определенную первоначальную форму равновесия

6. Что такое расчетная схема?

Расчетная схема – упрощенная, идеализированная схема, отображающая наиболее существенные характеристики конструкции, определяющие его поведение под нагрузкой

7. Какое свойство тел называется упругостью?

Упругость- свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия нагрузки

8. Какой частный случай свойства упругости рассматривают в сопротивлении материалов?

Линейная упругость (закон Гука)

упругие деформации находятся в линейной зависимости от нагрузки, напряжения.

Идея и суть з-на Гука: напряжение прямо пропорционально упругой деформации

9. К каким простейшим типам с точки зрения формы сводятся различные элементы конструкций?

стержень (брус, балка, вал), пластина (плита, оболочка) и массивное тело (массив)

10. Какие объекты называются стержнями?

Стержень — элемент, длина которого превышает поперечные размеры в 5 или более раз

11. Что такое стержневая система?

Стержневая система — несущая конструкция, состоящая из стержней, жестко или шарнирно соединенных

между собой в узлах.

Различают плоские и пространственные стержневые системы.

Примеры стержневых систем: ферма, рама.

12. Какие объекты называются пластинами и оболочками? В чем состоит разница между пластинами и оболочками?

Пластины – плоские элементы, у которых толщина значительно меньше других размеров.. Оболочка Отличается тем, что имеет форму поверхности одинарной или двоякой кривизны

13. Какие тела называются объемными (массивами)?

Тела, габаритных размеров, соизмеримых между собой

14. Что означает понятие «однородность»?

Однородность — свойства материала в любой точке одинаковы

15. Что означает понятие «сплошность»?

Сплошность – способ заполнять весь выделенный объем без пустот и трещин

16. Какие материалы называются изотропными?

Материалы, у которых свойства во всех напр. одинаковые

17. Какие материалы называются анизотропными?

Это материалы, обладающие различными свойствами в различных направлениях

18. Сформулируйте принцип независимости действия сил.

Результат действия группы сил не зависит от последовательности нагружения ими конструкции и равен сумме результатов действия каждой из этих сил в отдельности.

19. Какие положения сопротивления материалов обосновывают возможность применения принципа

независимости действия сил (принципа суперпозиции)?

Величины,для которых применяется принцип, связаны линейной завиимостью (з-н Гука). Деформация и перемещения – малы

20. Сформулируйте принцип Сен-Венана?

Если система сил приложена к небольшой чати тела, то напряжения и деформации в малом объеме тела, непосредственно прилегающем к месту приложения сил, зависят от от их равнодействующей и от закона распределения сил, а в остальном объеме тела, удаленном от места приложения сил, напряжения и деформации зависят только от равнодействующей этих сил

21. Какие силы называются статическими, какие динамическими?

Статические силы-это силы, которые не меняются во времени, либо меняются на столько медленно, что ими

можно пренебречь.

Динамические силы-это силы, меняющиеся во времени.

22. Что такое объемная сила, ее размерность? Приведите примеры объемных сил.

Объемные силы распределены по всему объему рассматриваемого тела и приложены к каждой его точке.

[кH/м3] Пример : сила тяжести и инерции

23. Какие силы называются поверхностными?

Силы, которые действуют по поверхности.

Поверхностные нагрузки подразделяются на сосредоточенные (кН) и распределенные (по площади кН/м2 и по линии кН/м). 

24. Какие силы называются сосредоточенными? При выполнении каких требований внешнюю нагрузку можно считать сосредоточенной силой?

Сосредоточенные нагрузки – силы и моменты, площадь действия которых мала по сравнению с размерами

объекта (приложены в точке).Сосредоточенные силы — площадка, по которой передается нагрузка намного

меньше по сравнению с размерами взаимодействующих тел [н], [кг].

25. Как понимать термин «число степеней свободы объекта»?

Число степени  свободы – количество независимых параметров, однозначно определяющих положение

объекта на плоскости или в пространстве. На плоскости – 3. Впространстве — 6 26. Какие опорные закрепления Вы знаете, и какие реакции в них возникают?

— Подвижная шарнирная опора (а).

— Неподвижная шарнирная опора (б).

— Жесткая заделка или защемление (в).

27. Какие системы называются статически неопределимыми?

Система называется статически неопределимой, если число неизвестных в ней больше числа статических

уравнений равновесия.

28. Какие системы называются статически определимыми?

Система называется статически определимой, если число неизвестных в ней равно числу статических

уравнений равновесия.

29. Почему для определения опорных реакций в сопротивлении материалов можно использовать

уравнения статики абсолютно твердого тела?

Потому что система находится в полном равновесии

30. Какие силы называются внешними?

Силы действующие на тело извне, в результате взаимодействия с другими телами

31. Опишите метод, используемый при определении внутренних усилий.

Метод сечений: Его суть в том, что если при действии внешних сил тело находится в состоянии равновесия, то любая отсеченная часть тела вместе со всеми ее внешними и внутренними усилиями также находится в

равновесии, следовательно, к ней применимы уравнения равновесия.

32. Как вводятся понятия «внутренние усилия»? Перечислите составляющие внутренние усилия в

поперечных сечениях стержня для общего случая нагружения.

Внутренние усилия –изменения во взаимодействии между частицами, которые возникают в результате приложения внешней нагрузки.

N-нормальная сила [Н]; Qx, Qy- поперечные силы [Н]; Mz — крутящий момент [Па]; Mx, My-изгибающие

моменты[Па]

33. Что такое «эпюра внутреннего усилия»?

Эпюра – график функции, показывающий распределение внутренних усилий вдоль оси стержня.

34. Зачем строят эпюры внутренних усилий?

Эпюры внутренних усилий строят для того, чтобы определить опасные сечения.

35. Какие виды простой деформации прямолинейного стержня Вам известны (указать действующие

внутренние усилия)?

Растяжение-сжатие (N-нормальная сила [Н]; σ- нормальное напряжение[Н])

Изгиб (чистый и поперечный) (Qy- поперечные силы [Н]; Mx —изгибающий момент [Па])

Кручение (Мкр- момент кручения [Нм]; φ– угол поворота [рад])

36. Какие напряжения называют опасными (предельными)?

Напряжения, вызывающ разрушение элемента (при которых начинаются деф и разрушения)

 37. Какое напряжение является опасным (предельным) для хрупких материалов? Почему?

Для хрупких материалов — временное сопротивление

38. Какое напряжение является опасным (предельным) для пластичных материалов? Почему?

Для пластичных материалов  — предел текучести

39. Как вводят понятие «допускаемое напряжение»?

Допускаемое напряжение-значение напряжения, которое считается предельно приемлемым при вычислении

размерности поперечного сечения элемента. Предельное напряжение определяется опытным путем. [σ]<= σоп / k, где (k — коэффициент запаса прочности [σ] — допускаемое напряжение [Па]; σоп –

опасное напряжение [Па])

40. Как вводят понятие «коэффициент запаса прочности»?

Величина больше 1, показывающ способность конструкции выдерживать прилагаемые к ней нагрузки выше

расчетных и зависищая от класса конструкции, срока ее эксплуатации, нагрузки, вида деф

41. Какой вид деформации стержня называют осевой деформацией?

Вид деформации, при кот возникает одно внутр усилие, действ по оси стержня (N — продольная сила, Н)

42. Как должен быть загружен стержень, чтобы реализовалась осевая деформация?

Осевая деформация реализуется в том случае, если все внешние силы и их равнодействующие лежат на

одной оси стержня

43. Какой вид деформации испытывает стержень, нагруженный силами, направленными вдоль

его оси?

Растяжение-сжатие

44. Какая гипотеза положена в основу теории растяжения (сжатия) прямолинейных стержней и какой

закон распределения напряжений из нее вытекает?

Гипотеза плоских сечений, из нее следует, что нормальные напряжения равномерно распределяется по всей

площади сечения и равны σ=N/A=const., а из гипотезы вытекает принцип Сен-Венана. (σ- нормальное напряжение[Па]; N-продольная сила[Н];А – площадь поперечного сечения[м2];

45. Сформулируйте гипотезу плоских сечений.

Сечения плоские и перпендикулярные оси стержня до приложения нагрузки остаются плоскими и

перпендикулярными после приложения нагрузки

46. Запишите условие статической эквивалентности для нормальной (продольной) силы.

σ = N/A(σ- нормальное напряжение[Па];N-продольная сила[Н]; А – площадь поперечного сечения[м2];

N=∫σ_zdA

48. Сформулируйте признаки, по которым можно проверить правильность построения эпюры

нормальной силы (все известные).

Если нет распределенной нагрузки, то эпюра N – прямая, // оси стержня. Если распределенная нагрузка есть, то прямая имеет наклон.

Наклон эпюры N определяется интенсивностью распределения нагрузки

Скачки в эпюре N по величине и местоположению соотв внешним сосредоточ силам

47. Сформулируйте правило знаков для нормальной (продольной) силы.

Если внешняя нормаль к отсечённой части положительна, т.е. ее направление совпадает с направлением соотв. Оси, то нормальная сила положительна, если направлена по нормали (растяжение)

49. Запишите дифференциальную зависимость между нормальной силой и продольной распределенной нагрузкой.

Первая производная от нормальной силы равна интенсивности распределенной нагрузки, взятой с

противоположным знаком. dN / dz = -q(z), N-продольная сила[Н], q-распр.нагрузка,Н/м

50. Запишите формулу, по которой вычисляют напряжения в поперечном сечении стержня при осевой

деформации.

σ = N/A(σ- нормальное напряжение[Па]; N-продольная сила[Н]; А – площадь поперечного сечения[м2])

51. Сформулируйте пределы применимости формулы для нормальных напряжений при осевой

деформации.

Она справедлива лишь при равномерно распределенной нагрузке по торцу стержня, при отсутствии отверстий и ступенчатых изменений сечения в стержне.

52. Что такое концентрация напряжений и как она оценивается в упругой стадии работы материала?

Явление возникновения повышенных местных напряжений в областях резких изменений формы упругого тела, а также в зонах контакта деталей.

Определяется методами теории упругости или экспериментально.

Для оценки ее степени ввели коэффициент конц напряж: γ = σ мах/ σ ср; (γ — коэффициент концентрации напряжений; σ мах – максимальное напряжение [Па]; σ ср — среднее напряжение по сечению[Па]; )

53. Запишите условие прочности при осевой деформации. Какие задачи можно решать с помощью этого условия?

σмакс=Nmax/A <= [σ] (σ мах – максимальное напряжение [Па];Nmax-продольная сила[Н]; А – площадь поперечного сечения[м2])

1. проверка прочности; 2. подбор сечения; 3. определение несущей способности;

54. Какую величину называют жесткостью поперечного сечения стержня при осевой деформации?

Приведите выражение и поясните смысл входящих в него величин.

Жесткость – способность противостоять недопустимым деформациями в течение длит времени

ЕА-жёсткость попер. сечения (А — площадь постоянного сечения[м2]; Е модуль Юнга[Па])

55. Запишите формулу, по которой вычисляют удлинение стержня, если нормальная сила и жесткость

постоянны по длине стержня?

∆ L = NL/EA, (E-модуль упругости Юнга [Па];∆ L –удлинения стержня [м];N-продольная сила[Н];

А – площадь постоянного сечения [м2]; L-длина стержня [м] )

56. Запишите формулу, по которой вычисляют удлинение стержня, если нормальная сила и жесткость

стержня меняются по длине стержня?

∆ L=ω_z/ EA( E-модуль упругости Юнга [Па]; ∆ L –удлинения стержня [м];ω_z– площадь силы действия на

стержень [Нм]; А — площадь постоянного сечения [м2])

57.Как связаны продольная и поперечная относительные деформации при осевом растяжении (сжатии)?

ν = | e попер/ eпрод |(ν = коэффициент Пуассона; e попер – поперечная относительная деформация [Па];

eпрод – продольная относительная деформация [Па];)

58. Что такое коэффициент Пуассона? В каких пределах находится его величина для изотропных

материалов?

Отношение относительной поперечной деформации к относит продольной. Он зависит от природы материала. Коэф. Пуассона и модуль Юнга характеризуют упругие свойства изотропного материала

ν = | e попер / eпрод| 0<= ν<=0,5

59. Какая линейная относительная деформация при растяжении больше: продольная или поперечная? Ответ пояснить.

Продольная т.к. отношение поперечн к прод <1 (коэффициент Пуассона)

60. Что называют диаграммой растяжения образца?

Диаграмма растяжений образца – зависимость нагрузки от абсолютного удлинения ( F от ∆L)

61. Какие материалы называют пластичными, какие хрупкими?

Пластичные материалы- это материалы, допускающие большие остаточные деформации ( прочностные характеристики при растяжении-сжатии одинаковы) Хрупкие материалы- это материалы, разрушающиеся без остаточных деформаций. ( различные прочностные характеристики при растяжении-сжатии)

62. Изобразите характерную диаграмму растяжения образца из пластичного материала.

63. Изобразите характерную диаграмму растяжения образца из хрупкого материала.

64. Как по диаграмме растяжения определить остаточное удлинение (показать на диаграмме)?

△𝓵ост — полная остаточная деформация в момент разрыва образца( измерена по диаграмме в масштабе)

65. Как по диаграмме растяжения определить упругое удлинение (показать на диаграмме)?

Если в некоторый момент испытания М произвести разгрузку

образца, то диаграмма пойдет в соответствии с законом Гука по

линии MN||OK. Отрезок ON измеряет остаточную деформацию в

момент М, а NL – это упругая деформация в момент испытания М. (△𝓵у) Или опустить перпендикуляр от точки K( тогда △𝓵у –отрезок на

горизонтальной оси от 0 до основания перпендикуляра) 66. Что такое площадка текучести? Площадка текучести — это часть графика, на котором при росте

деформации нагрузка не изменяется. 67. Когда появляется шейка в образце при растяжении? Как

распределяются деформации по длине образца до и после появления шейки? CD – это участок, на котором образуется шейка (после времен сопротивления). До шейки деф. растёт

равномерно, после – в шейке 68. Какое отличие имеет условная диаграмма напряжений от диаграммы растяжения образца? Почему

она называется условной? Диаграмма условных напряжений – это зависимость напряжений от относительно линейной деф. (σ от e)

Условная диаграмма не учитывает изменения длины и сужение площадки поперечного сечения. 69. Какая величина называется пределом пропорциональности? Предел пропорциональности- наибольшее напряжение, до которого образец деформируется в

соответствии с законом Гука — σпр.

70. Какая величина называется пределом текучести? Предел текучести — наименьшее напряжение, при котором происходит рост деформаций при постоянной

нагрузке (σт) 71. Какая величина называется пределом прочности (временным сопротивлением)? Предел прочности — условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей

разрушению образца. 72. Какая величина называется истинным сопротивлением разрыву? Истинное сопротивление разрыву — это напряжение, определяемое отношением нагрузки F в момент

разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва A. 73. Что понимают под наклепом материала? Наклеп – изменение механич свойств прочности и пластичности, вызванное предварит пластической деформацией материала 74. Как наклеп влияет на прочностные и пластические свойства материала? Прочность возрастает, пластичность уменьшается 75. До какого наибольшего значения можно довести предел пропорциональности материала с помощью наклепа? До временного сопротивления 76. Какие величины характеризуют пластические свойства материала и как они определяются? Относительная остаточная деформация при разрыве δ= (L1-L0)/L0 *100% Относительное остаточное сужение ψ= (А0-А1)/А1*100% 77. Почему при испытаниях на сжатие применяют короткие образцы? Длинные образцы могут искривиться и исказить результат опыта. 78.Чем объясняют образование бочкообразной формы при сжатии образцов из малоуглеродистой стали? Возникает из-за трения поверхности образца и нагружающих плит.

studfiles.net

ПРОЧНОСТЬ — Физический энциклопедический словарь

Твёрдых тел, в широком смысле — свойство тв. тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластич. деформации) под действием внеш. нагрузок. В узком смысле — сопротивление разрушению.

В зависимости от материала, вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.) и условий эксплуатации (темп-ра, время действия нагрузки и др.) в технике приняты разл. меры П. (предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др.). Разрушение тв. тела — сложный процесс, зависящий от мн. факторов, поэтому величины, определяющие П., явл. условными.

Рис. 1. Зависимость силы взаимодействия двух атомов от расстояния между ними.

Физическая природа прочности. П. тв. тел обусловлена в конечном счёте силами вз-ствия между атомами или ионами, составляющими тело. Напр., сила вз-ствия двух соседних атомов (если пренебречь влиянием окружающих атомов) зависит лишь от расстояния между ними (рис. 1). При равновесном расстоянии r0=0,1 нм (1 ?) эта сила равна нулю. При меньших расстояниях сила положительна и атомы отталкиваются, при больших — притягиваются. На критич. расстоянии rк сила притяжения по абс. величине максимальна и равна Fт. Напр., если при растяжении цилиндрич. стержня с поперечным сечением S0 действующая сила Р, направленная вдоль его оси, такова, что приходящаяся на данную пару атомов внеш. сила превосходит макс. силу притяжения Fт, то атомы беспрепятственно удаляются друг от друга. Однако, чтобы тело разрушилось вдоль нек-рой поверхности, необходимо, чтобы все пары атомов, расположенные по обе стороны от рассматриваемой поверхности, испытывали силу, превосходящую Fт. Напряжение, отвечающее силе Fт, наз. теор. прочностью на разрыв sт (sт»0,1 Е, где Е — модуль Юнга). Но на опыте наблюдается разрушение при нагрузке Р*, к-рой соответствует напряжение s=P*/S, в 100—1000 раз меньше sт. Расхождение теор. П. с действительной объясняется неоднородностями структуры тела (границы зёрен в поликрист. материале, посторонние включения и др.), из-за к-рых нагрузка Р распределяется неравномерно по сечению тела.

Механизм разрушения. Если на участке поверхности S малых размеров (но значительно превышающем сечение одного атома) локальное напряжение окажется больше sт, вдоль этой площадки произойдёт разрыв. Края разрыва разойдутся на расстояние, большее rк, на к-ром межатомные силы уже малы, и образуется трещина (рис. 2). Зарождению микротрещин при напряжении ниже sт способствуют термич. флуктуации. Локальные напряжения особенно велики у края образовавшейся трещины, где происходит концентрация напряжений, причём они тем больше, чем больше её размер. Если этот размер больше нек-рого критич. rс, на атомы у края трещины действует напряжение, превосходящее sт, и трещина растёт дальше по всему сечению тела с большой скоростью — наступает разрушение. rс определяется из условия, что освободившаяся при росте трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование новой поверхности трещины: rс»Еg/s2 (где g — энергия единицы поверхности материала).

Рис. 2. Трещина Гриффита. Стрелки указывают направление растяжения, заштрихована область, в к-рой сняты напряжения.

Прежде чем возрастающее внеш. усилие достигнет необходимой для разрушения величины, отдельные группы атомов, особенно входящие в состав дефектов в кристаллах, обычно испытывают перестройки, при к-рых локальные напряжения уменьшаются («релаксируют»). В результате происходит необратимое изменение формы тела — пластич. деформация; ей также способствуют термич. флуктуации. Разрушению всегда предшествует большая или меньшая пластич. деформация. Поэтому при оценке rс в энергию g должна быть включена работа пластич. деформации gp, к-рая обычно на неск. порядков больше истинной поверхностной энергии g. Если пластич. деформация велика не только вблизи поверхности разрушения, но и в объёме тела, то разрушение в я з к о е. Разрушение без заметных следов пластич. деформации наз. х р у п к и м. Характер разрушения проявляется в структуре поверхности излома. В крист. телах хрупкому разрушению отвечает скол по кристаллографич. плоскостям спайности, вязкому — слияние микропустот и скольжение. При низкой темп-ре разрушение преим. хрупкое, при высокой — вязкое. Темп-ра перехода от вязкого к хрупкому разрушению наз. критич. темп-рой хладноломкости.

Поскольку разрушение есть процесс зарождения и роста трещин и пор, оно характеризуется скоростью или временем т от момента приложения нагрузки до момента разрыва, т. е. долговечностью материала. Исследования многих крист. и аморфных тел показали, что в широком интервале темп-р Т (по абс. шкале) и напряжений s, приложенных к образцу, долговечность при растяжении определяется соотношением:

где t0— прибл. равно периоду тепловых колебаний атомов в тв. теле (10-12с), энергия U0 близка к энергии сублимации материала, активац. объём V составляет обычно неск. тысяч ат. объёмов и зависит от структуры материала, сформировавшейся в процессе предварительной термич. и механич. обработки и во время нагружения, k=l,38•10-16 эрг/град — постоянная Больцмана. При низких темп-рах долговечность очень резко падает с ростом напряжения, так что при любых важных для практики значениях т существует почти постоянное предельное значение напряжения s0, выше к-рого образец разрушается практически мгновенно, а ниже — живёт неограниченно долго. Это значение s0 можно считать п р е д е л о м п р о ч н о с т и (см. табл.).

НЕКОТОРЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПРОЧНОСТИ НА РАСТЯЖЕНИЕ, s0 в кгс/мм2 (1 кгс/мм2=10 МН/м2)

Время т затрачивается на ожидание термофлуктуац. зарождения микротрещин и на их рост до критич. размера rс. Когда к образцу прикладывают напряжение о, он деформируется сначала упруго, затем пластически, причём около структурных неоднородностей, имевшихся в исходном состоянии или возникших при пластич. деформации, возникают большие локальные напряжения (напр., в кристаллах — в результате скопления дислокаций). В этих местах зарождаются микротрещины. Их концентрация может быть очень большой (напр., в нек-рых ориентированных полимерах до 1015 трещин в 1 см3). Однако их размеры, определяемые масштабом структурных неоднородностей, значительно меньше rс. Под постоянным напряжением размеры и концентрация трещин растут медленно и тело не разрушается, пока случайно, напр. благодаря последовательному слиянию близко расположенных соседних трещин, одна из них не дорастёт до критич. размера. Поэтому при создании прочных материалов следует заботиться не столько о том, чтобы трещины не зарождались, сколько о том, чтобы они не росли. Случайное распределение структурных неоднородностей по объёму образца, по размерам и по степени прочности и случайный характер термич. флуктуации приводят к разбросу значений долговечности (а также предела П. s0) при испытаниях одинаковых образцов при заданных значениях а я Т. Вероятность встретить в образце «слабое» место тем больше, чем больше его объём. Поэтому П. (разрушающее напряжение) малых образцов (напр., тонких нитей) выше, чем больших из того же материала (т. н. масштабный эффект). Участки с повышенным напряжением, где легче зарождаются микротрещины, встречаются чаще у поверхности (выступы, царапины). Поэтому полировка поверхности и защитные покрытия повышают П. Напротив, в агрессивных средах П. понижена.

gufo.me

Прочность материалов — Специальные виды работ в строительстве

Прочность — это способность материалов сопро­тивляться внутренним напряжениям, возникающим под действием внешних нагрузок.

В конструкциях строительные материалы в зависимости от характера нагрузки могут испытывать различные напряжения: сжатие, растяжение, изгиб и др.

Это свойство строительных материалов характеризуется пределом прочности, т. е. напряжением в материале, со­ответствующем нагрузке, при которой происходит разрушение образца. Предел прочности при сжатии или растяжении (R) ра­вен отношению разрушающей силы (R_разр) к первоначальной площади образца (F):

Разрушающую, т. е. максимальную, нагрузку определяют на гидравлических прессах или разрывных машинах различной мощ­ности. Результаты этих испытаний зависят от прочности веще­ства, из которого состоит материал, его формы, размеров, ско­рости нарастания нагрузки и пр. Для испытания на растяжение применяют обычно образцы в виде восьмерок, а на сжатие — кубики различных размеров (с длиной ребра от 3 до 30 см) или цилиндры. При испытании цилиндров показатели предела проч­ности при сжатии бывают примерно на 25% меньше, чем куби­ков. Небольшие образцы имеют более высокий предел  прочности при сжатии, чем крупные. Это объясняется тем, что сжа­тие сопровождается поперечным расширением. Две плоскости испытуемого образца прижимаются к плитам пресса, и возникающие при этом силы трения удерживают прилегающие части от поперечного расширения и, следова­тельно, от разрушения. Чем больше относительная высота образца, тем меньше влияние опор прессовых плит на его прочность. По этой причине большин­ство каменных материалов при сжатии разрушается так, как это показано на рисунке 2.

Изменения предела прочности при сжатии для каменных материалов в за­висимости от размеров образца приве­дены в таблице 1.

Рис. 2. Характер разру­шения кубика из камен­ных материалов при ис­пытании их на сжатие.

Таблица 1 Переходные коэффициенты для определения пределов прочности при сжатии каменных материалов

Каменные материалы (горные породы, бетоны, кирпич) при растяжении выдерживают нагрузку, в 10-20 раз меньшую, чем при сжатии. Другие строительные материалы, например сталь, древесина, пластмассы, одинаково хорошо сопротивляются как сжатию, так и растяжению.

Предел прочности при изгибе определяют испытанием не­больших балочек, изготовленных из проверяемого материала. Разрушают эти балочки одним или двумя сосредоточенными грузами (рис. 3).

Рис. 3. Схемы испытания строительных материалов на изгиб сосредоточенными грузами: а — одним;   б — двумя.

Предел прочности при изгибе равен: при одном грузе

при двух грузах

где Р_разр — разрушающая нагрузка, кг;
l — расстояние между опорами, см;
а — расстояние между грузами, см;
b и h — соответственно ширина и высота  балочки, см.

Условия проведения этих испытаний приведены в стандар­тах (ГОСТ) на соответствующие материалы.

Однако необходимо иметь в виду, что различные конструк­ции и сооружения рассчитывают не по пределу прочности, а по допускаемому напряжению:

где z — коэффициент запаса прочности, величина которого более единицы. Это требование к величине допускаемого напряжения обусловливается следующими причинами.

1.  Полученные при испытаниях показатели дают представ­ление только о среднем значении прочности материалов. Вслед­ствие своей неоднородности материалы в наиболее слабых местах разрушаются раньше, чем напряжение достигнет этой средней величины. Поэтому запас прочности принимают тем большим, чем выше, неоднородность материала.

2.  Многие материалы, нагруженные до появления напряже­ния, составляющего 50-70% предела прочности, сильно дефор­мируются.

3.  При многократной переменной нагрузке наступает так называемая усталость материалов, и они могут разрушаться при напряжении, равном половине предела прочности.

4.  Действие различных атмосферных факторов вызывает из­менение первоначальных свойств материалов, и они стареют, что, естественно, сопровождается понижением их прочности.

Для обеспечения достаточной прочности сооружений при дей­ствии перечисленных факторов, а также нагрузок, не учтенных в расчетах или учтенных недостаточно точно вследствие несовер­шенства методов испытаний, в нормах на строительное проек­тирование установлены определенные запасы прочности для раз­ных материалов и конструкций (z = 2-3 и более).

Два важных свойства строительных материалов — объем­ный вес и прочность — требуют введения еще одного коэффициента — конструктивного качества (К. К. К.). Он характери­зуется отношением прочности материала к его объемному весу:

Наилучшим в конструктивном отношении материалом будет тот, который имеет наивысший коэффициент конструктивного качества. Такие материалы позволяют создавать прочные и в то же время легкие сооружения. К. К. К. основных строительных материалов имеет следующие величины:

svaika.ru

разрушающий метод и неразрушающие методы контроля

Прочность – это способность материала, деталей машин, элементов строительных конструкций и т. д., сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим под действием внешней нагрузки. В данной статье обязательно еще поговорим о внутренних напряжениях, как они определяются и какими должны быть, чтобы прочность материала, была обеспечена. В рамках данной статьи, я расскажу более подробно о том, что такое прочность, какие существуют виды и способы расчета на прочность при простейших видах деформации: растяжении и сжатии, кручении и изгибе. Расскажу о понятии – «коэффициент запаса прочности». Дам информацию по теориям прочности и современным способам расчета деталей и конструкций на прочность с помощью ЭВМ, в частности, программных продуктов для решения инженерных задач CAE.

Что такое прочность?

Ответ на этот вопрос неоднозначен и нужно рассмотреть несколько аспектов, чтобы понять ее природу. Прежде всего, это свойство твердого тела, характеризующее его способность противодействовать разрушению, под действием внутренних напряжений, возникающих от действия внешней нагрузки.

Природа прочности в физическом понимании, основана на силе микро взаимодействия между атомами и ионами, из которых состоит любой элемент и обусловлена не столько самим материалом, сколько типом напряжения, воздействующего на него (растяжение, изгиб, сжатие или кручение), а также условиями эксплуатации (температура, влажность).

При проведении испытаний на статические нагрузки, прочность измеряется тестированием шаблонных образцов (прямоугольной или круглой формы) с построением диаграммы, которая показывает зависимость напряжения и деформации образца. При построении такого графика определяются важные прочностные характеристики материала: предел текучести, предел упругости и предел прочности (временное сопротивление).

Специальные расчеты, такие, как выявление предельных напряжений под влиянием постоянных нагрузок, и расчет усталостной нагрузки под воздействием циклических нагрузок, показывают насколько прочен определенный материал.

Существует понятие общей прочности, которое означает устойчивость к разрушению всей системы связей, в целом. Ее нарушение приводит к поражениям различного рода, характер их может иметь хрупкую или вязкую природу. При хрупкости, любая поверхность теряет свою целостность, появляются надломы, трещины. При вязких состояниях поверхность натягивается, имеет вяжущую структуру. Наиболее прочные структуры имеют минимальные показатели пластичности и вязкости, хотя на эти свойства может оказывать серьезное влияние температурный режим, например, при более низких температурах некоторые сплавы металлов становятся более прочными.

Методы определения прочности материалов

На практике применяют два метода определения прочности изделий, с их помощью осуществляется контроль качества как отдельных элементов, так и уже готовых конструкций.

Разрушающий метод

Разрушающий метод — обнаружение предельно допустимых базовых способностей объекта, с применением испытаний на контрольных образцах, до абсолютного разрушения последних. Проводится данное тестирование путем выделения ряда образцов, произведенных по аналогичной технологии и из тех же составляющих компонентов, отбор производится как из готового сооружения или изделия, так и специально изготавливается для тестирования.

Такой метод обладает наибольшей достоверностью и результаты, полученные при его выполнении максимально, подлинно отражают физические свойства материала, но на практике такой анализ требует дополнительных затрат и не всегда имеется возможность его провести.

Неразрушающие методы контроля

Второй способ — это неразрушающие испытания, которые позволяют сохранить рабочие характеристики объектов в неизменном виде, без каких-либо конструктивных изменений, что удобно при инспекции готовых конструкций.

Неразрушающие методики основаны на определении параметров, но только косвенным образом, и проводятся несколькими способами:

Капиллярный

Производится капиллярное проникновение жидкостей или газов в полости исследуемых элементов, затем регистрируются индикаторные следы либо при помощи преобразователя, либо визуально. Таким образом, обнаруживаются поверхностные и сквозные дефекты, однако, это требует больших временных затрат, особенно при тщательных осмотрах поверхности с применением инструментов увеличения (дефектоскопа).

Механическая проверка

Существует несколько вариантов осуществления анализа локальных разрушений объекта — это отрыв со скалыванием, ультразвуковое анализирование, воздействие ударного импульса, упругий отскок, пластическая деформация. Каждый способ проверки обладает как достоинствами, так и ограничениями в применении. Единственный эталонный и для которого в ГОСТе закреплены градуированные зависимости — это метод отрыва со скалыванием, в основном, он применяется для бетона.

Магнитный (магнитопорошковый)

Применяется магнитный индикатор для конструкций, изготовленных из сталей ферромагнитного типа, ограничен формой плоскости намагничивания и не может использоваться для неферромагнитных соединений.

Акустический — резонансный

Определяет колебания упругости образца и частоту продольных или изгибных колебаний, основной плюс такой проверки — это обнаружение дефектов, находящихся еще только в стадии развития (от десятых долей миллиметра), но для качественного проведения такого изучения необходимо дорогостоящее оборудование.

Радиационный

Проводится рентгеновским аппаратом, в основном используется для установления внутренних деформаций соединений, которые получены посредством сварки (непровары, поры, шлаковые включения, трещины).

Тепловой

Делается с помощью тепловизора, выявляются места проходимости тепла, протечек, нарушений изоляционных покрытий, участков нагрева электрических контактов, но на корректность измерений влияют погодные условия, при проведении не всегда удается исключить такие влияния.

Вихретоковый

Используется вихретоковый дефектоскоп, обнаруживает поверхностные повреждения и изъяны, находящиеся на небольших глубинах (глубина -1 – 4 мм), но ограниченно, только в токопроводящих изделиях.

Оценивая все вышеописанные методики, можно сделать вывод, что прочность должна измеряться способом, наиболее подходящим к конкретному исследуемому объекту и при обязательном учете влияния факторов внешней среды, в которой он эксплуатируется.
Важнейшая задача современных производств — это улучшение прочности любых конструкций, она решается включением легирующих элементов в сплавы, радиоактивным облучением, использованием армирующих и композиционных материалов, термической и механической обработкой.

sopromats.ru